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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
このプロトコルは、 in vitro 全内部蛍光(TIRF)顕微鏡アッセイを使用して動的アクチンおよび微小管を視覚化するためのガイドです。
伝統的に、アクチンおよび微小管細胞骨格は、別個の実体として研究され、特定の細胞領域またはプロセスに制限され、各ポリマーに固有の結合タンパク質の異なるスイートによって調節されてきた。多くの研究は、両方の細胞骨格ポリマーのダイナミクスが絡み合っており、このクロストークがほとんどの細胞行動に必要であることを実証しています。アクチン-微小管相互作用に関与する多くのタンパク質(すなわち、タウ、MACF、GAS、ホルミンなど)がすでに同定されており、アクチンまたは微小管のみに関して十分に特徴付けられている。しかし、比較的少数の研究は、両方のポリマーの動的バージョンとのアクチン - 微小管配位アッセイを示した。これは、アクチンと微小管との間の創発的な連結機構を閉塞する可能性がある。ここで、全反射蛍光(TIRF)顕微鏡ベースの in vitro 再構成技術は、1つの生化学反応からアクチンおよび微小管の両方のダイナミクスの視覚化を可能にする。この技術は、アクチンフィラメントまたは微小管のいずれかの重合動力学を個々に、または他のポリマーの存在下で保存する。市販のタウタンパク質は、古典的な細胞骨格架橋タンパク質の存在下でアクチン - 微小管挙動がどのように変化するかを実証するために使用される。この方法は、個々の調節タンパク質が単一フィラメントまたは高次複合体の分解能でアクチン - 微小管ダイナミクスをどのように調整するかについての信頼性の高い機能的および機構的洞察を提供することができる。
歴史的に、アクチンと微小管は別々の実体と見なされ、それぞれが独自の調節タンパク質のセット、ダイナミクス行動、および異なる細胞位置を有する。アクチンおよび微小管ポリマーが、遊走、有糸分裂紡錘体位置決め、細胞内輸送、および細胞形態を含む多数の細胞プロセスを実行するために不可欠な機能的クロストーク機構に関与することを、現在実証している1,2,3,4。これらの例の根底にある多様な協調挙動は、結合因子、信号、および物理的特性の複雑なバランスに依存しています。しかし、これらのメカニズムを支える分子の詳細は、ほとんどの研究が一度に単一の細胞骨格ポリマーに焦点を当てているため、まだほとんど不明です1,2,5。
アクチンと微小管は直接相互作用しない6、7、8。細胞に見られるアクチンおよび微小管の協調ダイナミクスは、追加の因子によって媒介される。アクチン-微小管クロストークを調節すると考えられる多くのタンパク質が同定されており、その活性は細胞骨格ポリマー単独のいずれに関しても十分に特徴付けられている1,2。増え続ける証拠は、この単一のポリマーアプローチが、アクチン - 微小管結合事象7,8,9,10,11,12,13を可能にするいくつかのタンパク質/複合体の二重機能を隠蔽したことを示唆している。両方のポリマーが存在する実験はまれであり、しばしば単一の動的ポリマーおよび他の6,8,9,10,11,14,15,16,17,18の静的安定化バージョンによるメカニズムを定義する.したがって、アクチン-微小管調整タンパク質の創発的な特性を調査するには、両方の動的ポリマーを使用する実験系でのみ完全に理解できる方法が必要である。
直接タンパク質標識アプローチ、遺伝的にコードされた親和性タグ、および全内部反射蛍光(TIRF)顕微鏡法の組み合わせは、生体模倣再構成系において大きな成功を収めて適用されている19、20、21、22、23。多くのボトムアップスキームには、細胞内のタンパク質を調節するすべての因子が含まれているわけではありません。しかし、「カバーグラス上の生化学」技術は、ポリマーの組み立てまたは分解に必要な成分、およびモータータンパク質の動きを含む、高い空間的および時間的スケールでのアクチンおよび微小管ダイナミクスの多くのメカニズムを洗練させました5、12、23、24、25、26、27.ここでは、インビトロでアクチン-微小管結合を調査するための最小成分単一フィラメントアプローチが記載されている。このプロトコールは、市販または高純度の精製タンパク質、蛍光標識タンパク質、灌流チャンバー、および細胞抽出物または合成系を含むより複雑なスキームに拡張して使用することができる。ここで、市販のタウタンパク質は、アクチン-微小管結合タンパク質の存在下で細胞骨格ダイナミクスがどのように変化するかを実証するために使用されるが、他の推定アクチン-微小管協調因子と置き換えることができる。他のアプローチに対するこのシステムの主な利点は、1つの反応で複数の細胞骨格ポリマーのダイナミクスを同時に監視できることです。このプロトコルは、細胞骨格ポリマーへの変化を定量化するための例と簡単なツールをユーザーに提供します。したがって、プロトコルユーザーは、信頼性の高い定量的なシングルフィラメント分解能データを生成して、多様な調節タンパク質がアクチン-微小管ダイナミクスをどのように調整するかの根底にあるメカニズムを記述します。
1. カバースリップの洗浄
注:洗濯(24 mm x 60 mm、#1.5)は、Smith et al., 201328に従ってカバースリップを覆います。
2. コーティング洗浄済み(24 mm x 60 mm、#1.5)カバースリップをmPEGおよびビオチン-PEGシランで
注:このプロトコルは、特にビオチン - ストレプトアビジン系を使用して、アクチンおよび微小管をTIRFイメージング平面内に配置します。他のコーティングおよび系が使用され得る(例えば、抗体、ポリ−L−リジン、NEMミオシンなど)。
3. イメージングフローチャンバの組み立て
4. 灌流チャンバーのコンディショニング
5. 顕微鏡の準備
注:動的アクチンフィラメントおよび微小管を含む生化学反応は、120-150mWの固体レーザー、温度補正された63倍の油浸TIRF対物レンズ、およびEMCCDカメラを備えた倒立全反射蛍光(TIRF)顕微鏡を使用して視覚化/実行されます。この例のタンパク質は、次の波長で可視化される:488nm(微小管)および647nm(アクチン)。
6. タンパク質反応ミックスの調製
7. 画像アクチンと微小管のダイナミクス
8. フィジーソフトウェアを使用した画像の処理と分析31
上記の条件(図1)により、アクチンおよび微小管ポリマーは、画像取得から2分以内に可視(および動的)になるはずです(図2)。他の生化学ベースのプロトコルと同様に、異なる調節タンパク質またはタンパク質のバッチに対して最適化が必要な場合があります。これらの理由から、TIRF角度と画像露光は、個々のポリマーを含む反応で最初に設定されます。これは、保存されたタンパク質が機能的であり、検出に十分な標識タンパク質が存在することを確認する。必ずしも必要ではない(ここでは実行されない)が、映画の後処理(すなわち、背景減算、平均化、またはフーリエ変換)を使用して、画像コントラスト(特に微小管)を増強することができる5、25、33。このアッセイによってもたらされる単一アクチンフィラメントおよび微小管の直接可視化は、重合パラメータ(すなわち、核生成または伸長速度)、分解パラメータ(すなわち、収縮速度または大惨事事象)、およびポリマーのコアラインメント/オーバーラップを含む、細胞骨格成分単独または一緒にいくつかの動的測定の定量的決定を支持する(図3).さらに、これらの測定は、タウのような調節リガンドの結合または影響を解読するための出発点として使用することができる(図3)。単一のアクチンフィラメントまたは微小管の多くの測定は、1つのTIRFフィルムから行うことができる。ただし、カバースリップコーティング、ピペッティング、およびその他の要因のばらつきにより、信頼性の高い測定には複数の技術的複製反応/ムービーも含める必要があります。
微小管ダイナミクスの多くの側面は、微小管の伸び率、大惨事や救助イベントの頻度など、キモグラフの例から決定することができます(図3A)。このシステムでアクチンダイナミクスを測定するためにキモグラフを使用することは、アクチンフィラメントが微小管よりも複雑であるため、それほど簡単ではありません。その結果、アクチンフィラメントダイナミクスのパラメータは手作業で測定され、時間と労力がかかります。核生成カウントは、すべての条件について一貫した時点で存在するアクチンフィラメントの数として測定される。これらのカウントは、TIRFイメージング分野によって大きく異なりますが、多くの反復で使用したり、他の重合アッセイからの観察を補完するために使用できます。核生成カウントは、試験条件が安定化微小管種子を欠いている場合、微小管にも使用することができる。アクチンフィラメント伸長速度は、少なくとも4つのムービーフレームからの経時的なフィラメントの長さとして測定される。レート値は、ミクロンのフィラメント中のアクチンモノマーの数を説明するために、370サブユニットの補正係数でマイクロモルアクチン当たりに搬送される(図3B)32。アクチンと微小管との間の協調挙動を定義するための測定は、あまり明確に定義されていない。しかし、相関分析は、ラインスキャン(図3C)またはオーバーラップソフトウェア5、11、34を含む両方のポリマーの一致を測定するために適用されている。
データの可用性:
この作業に関連するすべてのデータセットはZenodoに寄託されており、10.5281/zenodo.6368327で合理的な要求で入手できます。

図1.実験回路図:フローチャンバアセンブリから画像取得まで。(A)イメージングチャンバアセンブリ。上から下へ:IBIDIイメージングチャンバは、灌流ウェル(矢印で示す)に沿ってテープで固定される。テープバッキングの2番目の(白い)層(ユーザーの向きを良くするために示されている画像では左側)が除去され、エポキシが灌流チャンバの端(矢印)に塗布される。注: エポキシを配置する場所をユーザーにより簡単に指示するために、このイメージでは白いバッキングがオンのままになっています。洗浄およびコーティングされたカバースリップは、コーティング側が灌流ウェルの内側に面して画像化チャンバに取り付けられる。(b)画像化チャンバをビオチン−ストレプトアビジン結合のためにコンディショニングするためのステップを示すフローチャート。(c)動的微小管およびアクチンフィラメントのTIRF膜を取得するために用いられる反応の例。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2.Tauの非存在下または存在下で増殖するアクチンフィラメントおよび微小管の画像配列。 250 nM Tauの非存在下(A)または存在下(B)において、0.5μMアクチン(10%Alexa-647-アクチンおよび0.09%ビオチン-アクチン標識)および15μM遊離チューブリン(4%HiLyte-488標識)を含むTIRFアッセイからのタイムラプス画像モンタージュ。反応開始からの経過時間(チューブAとチューブBの混合)を示す。スケール バー、25 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3.微小管およびアクチンフィラメントダイナミクスの測定例。 (A)チューブリンチャネルの平均時間投影は、カイモグラフプロットを生成するために使用されるラインスキャンの微小管総長を効率的に視覚化します。黒い点線は、右に示す動的微小管の2つのキモグラフの例に対応する。微小管の成長段階(実線の黒い線)と分解段階(ピンクの点線、ピンク色の矢印で表記された2本)が各キモグラフに表示されます。タイムスケールバー、3分。長さスケールバー、10μm。反応は、0.5μMアクチン(10d7標識)および15μM遊離チューブリン(4H8-HiLyte標識)を含有する。チューブリンチャネルのみが表示されます。(B)活発に重合するシングルアクチンフィラメントを描いた2つの例のタイムラプス画像モンタージュ。伸長率は、マイクロモルアクチン当たりの経時的なアクチンフィラメントの長さのプロットの傾きとして計算される。したがって、1 μM アクチン濃度で典型的に決定される速度の比較のために、2 つの補正係数を 0.5 μM アクチン反応に適用する必要があります。5本のフィラメントの例を右に示す。スケールバー、10μm。反応は、0.5μMアクチン(10d7標識)および15μM遊離チューブリン(4H8-HiLyte標識)を含有する。アクチンチャネルのみが表示されます。(c)動的微小管(MT)(緑色)およびアクチンフィラメント(紫色)の非存在下(左)または250nM Tau(中央)の存在下で重合するTIRF画像。青い点線と矢印は、各条件に対応するラインスキャンプロットの線が引かれた場所を示します(各画像の下)。微小管とアクチン領域(黒で表示)の間の重なりは、面積ごとに設定された時点でスコアリングすることができる(右)。スケールバー、25μm。反応には、0.5 μM アクチン (10% 647-標識) および 15 μM 遊離チューブリン (4% 488-HiLyte 標識) が含まれ、250 nM Tau の有無にかかわらず含まれます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
開示すべき利益相反はありません。
このプロトコルは、 in vitro 全内部蛍光(TIRF)顕微鏡アッセイを使用して動的アクチンおよび微小管を視覚化するためのガイドです。
Marc Ridilla(Repair Biotechnologies)とBrian Haarer(SUNY Upstate)に、このプロトコルに関する有益なコメントをいただいたことに感謝しています。この研究は、国立衛生研究所(GM133485)の支援を受けた。
| 1% BSA (w/v) | Fisher Scientific | BP1600-100 | この目的(TIRFチャンバーのブロッキング)のために、BSAをddH20に再懸濁し、0.22 µでろ過します。mフィルター。 |
| 1×BRB80 | 自家製 | 80 mM PIPES、1 mM MgCl2、1 mM EGTA、pH 6.8、KOH | |
| 10 mg / mL(1000 U)グルコースオキシダーゼ | Sigma Aldrich Inc、セントルイス、ミズーリ | 州G2133-50KU | カタラーゼと組み合わせて、アリコートと組み合わせ、-80 oCで保存 |
| 。M tubulin | Cytoskeleton Inc, Denver, CO | T240 | 自家製チューブリンは、重合能力のないチューブリンを除去するために使用前にリサイクルする必要があります (Hyman et al. (1992)29;Li and Moore (2020)30)。市販のチューブリンは、リサイクルするには希釈が多すぎることがよくありますが、メーカーによると、再懸濁するとうまく機能します指示書と超遠心分離(278,000× g)で60分間事前にクリアしてから使用してください。 |
| 100 mM ATP | Gold Biotechnology Inc, Olivette, MO | A-081 | ddH20 (pH 7.5) に再懸濁し、フィルター滅菌しました。 |
| 100 mM GTP | Fisher Scientific | AC226250010 | 1×で再懸濁;BRB80(pH 6.8)およびフィルター滅菌済み。 |
| 120-150 mW 固体レーザー | ライカ マイクロシステムズ | 11889151; 11889148 | |
| 2 mg/mL カタラーゼ | シグマ アルドリッチ社、セントルイス、ミズーリ | 州C40-100 | グルコースオキシダーゼと組み合わせて、アリコートし、-80 oC で |
| 2×TIRFバッファ | 自家製 | 2回;BRB80、100 mM KCl、20 mM DTT、80 mMグルコース、0.5%(v / v)メチルセルロース(4,000 cp);注:1&マイクロ;0.1M GTPのLと1 & micro;0.1M ATPのLをTIRF反応に個別に添加して、凍結融解サイクルの繰り返しを回避します。 | |
| 24 × 60 mm, #1.5 coverglass | Fisher Scientific, Waltham, MA | 22-266882 | Coverglass must be extensively washed before use (Smith et al. (2014)22) |
| 37 oC heatblock | |||
| 37 oC ウォーターバス | |||
| 5 mg/mL ストレプトアビジン (600x stock) | Avantor, フィラデルフィア、ペンシルバニア | 州RLS000-01 | Tris-HCl(pH 8.8)に再懸濁;使用日にHEK緩衝液でアリコートを1倍に希釈する5 |
| 分間エポキシ樹脂と硬化剤 | ロックタイト、ロッキーヒル、コネチカット | 州1365736 | 樹脂と硬化剤の組み合わせは、硬化するまでに最大30分かかる場合があります。 |
| 50%ビオチン化-GpCpp微小管種子 | Cytoskeleton Inc;自家製 | のT333P | (オプション)GppCppまたはタキソール安定化微小管種子は、微小管重合をより効率的に媒介できます。タキソールとGppCppは、微小管の格子構造と特定の調節タンパク質が微小管の安定化部分に結合する能力に影響を与える可能性のあるさまざまな方法で微小管を安定化します。多様な種類の微小管種子を作製する方法は、Hyman et al. (1992)に概説されています。 |
| 70 oCインキュベーターActin | |||
| ミックスストック | 自家製;このプロトコル | A 12.5 & マイクロ;標識アクチン(蛍光およびビオチン化)および非標識アクチンからなるMアクチンミックスで、最大6回の反応が可能です。2 &マイクロ;Lのストックは、最終的なTIRF反応に使用されます。各反応で使用されるアクチンの最終濃度は0.5μです。M(10%Alexa-647;0.09%ビオチン標識)。 | |
| 適切な緩衝液制御 | 評価 | されるすべてのタンパク質からの緩衝液の自家製の組み合わせ | |
| ビオチン-PEG-シラン (MW 3,400) | Laysan Bio Inc | ビオチン-PEG-SIL-3400 | 2-5 mgアリコートに分注し、窒素で埋め戻し、閉じてパラフィルム化し、乾燥剤で-20 oCで保存 |
| オチン化アクチン | Cytoskeleton Inc;自家製 | AB07 | ビオチンアクチンは、リジン残基に標識することで作られるため、少なくとも100%標識されていると想定されますが、ロット/製剤によって異なります。最適なビオチン化アクチン濃度は、特定の用途/実験デザインについて経験的に決定する必要があります。高濃度では、より効率的なトラッキングが可能になりますが、重合や調節タンパク質との相互作用が妨げられる可能性があります。ここでは、わずかな割合(0.09%または900 pM)のビオチン化アクチンが最終TIRF反応に存在します。 |
| Dishsoap | Dawn、Procter and Gamble、オハイオ州 | シンシナティ不明な | 理由により、青色のバージョンは他の利用可能な色よりも効率的にカバースリップをクリーニングします。 |
| ドライアイス | |||
| FIJI Software | www.https://imagej.net/software/fiji/downloads | Schneider et al. (2012)31. | |
| 蛍光標識アクチン | Cytoskeleton Inc;自家製 | AR05 | 自家製蛍光標識アクチンは、-20 oCで50%グリセロールを添加したGバッファーに保存されます(Spudich et al. (1971)47;Liu et al. (2022)48)。蛍光標識されたアクチンをGバッファーに対して透析し、超遠心分離により278,000回で60分間プレクリアします。gを使用してから使用できます。 |
| 蛍光標識チューブリン | Cytoskeleton Inc | TL488M, TLA590M, TL670M | 20 & micro;L 1回;BRB80(10 & マイクロ;M最終濃度)を調製し、超遠心分離(278,000× g)で60分間事前に清算してから使用してください。 |
| Gバッファー | 自家製 | 3 mM Tris-HCl(pH 8.0)、0.2 mM CaCl2、0.5 mM DTT、0.2 mM ATP | |
| HEKバッファー | 自家製 | 20 mM HEPES(pH 7.5)、1 mM EDTA(pH 8.0)、50 mM KCl | |
| アイス | |||
| バケット | |||
| イメージングチャンバーIBIDI | 、フィッチバーグ、ウィスコンシン | 州80666 | 異なるカバースリップコーティングを利用するための底部のないチャンバーを注文 |
| iXon Life 897 EMCCDカメラ | アンドール、ベルファスト、北アイルランド | 8114137 | |
| LASXプレミアム顕微鏡ソフトウェア | ライカマイクロシステムズ | 11640611 | |
| メチルセルロース (4,000 cp) | シグマ・アルドリッチ社 | M0512 | |
| TIRFモジュールを搭載した顕微鏡ベース | ライカマイクロシステムズ、ウェッツラー、ドイツ | 11889146 | |
| mPEG-シラン (MW 2,000) | Laysan Bio Inc, Arab, AL | mPEG-SIL-2000 | 10-15 mg アリコートに分注し、窒素で埋め戻し、閉じてパラフィルム化し、-20 oC で保存 使用まで乾燥剤 |
| 客観的ヒーターと加熱ステージインサート | OKO labs, Pozzioli, Italy | 8113569 | 温度制御を35-37oCに設定します。 |
| 灌流ポンプ | ハーバード・イスプラーム、マサチューセッツ州ホリストン | 704504 | シリンジとチューブで代用できます。 |
| ペトリ皿、100 x 15 mm | Genesee Scientific、San Diego、CA | 32-107 | |
| プラスチックスライドメーラーコンテナ | フィッシャーサイエンティフィック | HS15986 | |
| SA-S-1L-SecureSeal 厚さ0.12 mm | Grace Biolabs、Bend、または | 620001 | 精密な製造寸法の両面テープを強くお勧めします。 |
| 小型発泡スチロールコンテナ | アブカム社、ケンブリッジ、英国 | 出荷から再利用 | |
| 小型計量ボート | フィッシャーサイエンティフィック | 02-202-100 | |
| 分光光度計 | |||
| タウ | サイトスケルトン社 | TA01 | タウの市販の調製物には、タウの3つのアイソフォームが存在します。このプロトコルの濃度は、最高分子量バンド(14.3 & micro;M、メーカーごとに再懸濁した場合50 & micro;ddH20)のL。 |
| 温度補正63回;プランアポ1.47 NA 油浸TIRF対物レンズ | ライカマイクロシステムズ | 11506319 | |
| Tubulinストック | 自家製;このプロトコル | 7.2 & micro;L リサイクル 100 & マイクロ;M 非標識チューブリンと 3 µ10のL&マイクロ;Mは、市販の蛍光標識チューブリンを再懸濁しました。1反応につき1つのチューブリンストックを使用し、氷上で解凍/保存します。各反応における遊離チューブリンの最終濃度は15μです。M(ラベル付き4%)。15以上 & マイクロ;Mチューブリンは、過安定化された(動的ではない)微小管をもたらしますが、濃度が7.5 µM遊離チューブリンは重合が行きません。タンパク質の濃度と取り扱いを慎重に決定する必要があります。 | |
| 非標識アクチン(暗色) | Cytoskeleton Inc;自家製 | のAKL99 | アクチン核は、ほとんどの場合、市販(凍結乾燥)または凍結アクチンに存在し、定量測定のばらつきに寄与します(Spudich et al.(1971)47;Liu et al. (2022)48)。ウサギ筋アクチンをGバッファーに-80oCで保存し、超遠心分離により278,000回で60分間プレクリアします。使用前のg. 1日を通していくつかのアクチンストック溶液が作られます(一度に6つの反応に十分な量しか作らない 強くお勧めします)。 |